JAVA小知识30：JAVA多线程篇1，认识多线程与线程安全问题以及解决方案。（万字解析）

时间：2024-07-07 17:05:55

来        多线程，一个学起来挺难但是实际应用不难的一个知识点，甚至在很多情况下都不需要考虑，最多就是写测试类的时候模拟一下并发，现在我们就来讲讲基础的多线程知识。

一、线程和进程、并发与并行

1.1、线程和进程

线程：线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。线程是一个进程中的实际执行单位，它负责当前进程中程序的执行。在一个进程中可以有多个线程，这些线程可以共享进程的资源，如堆和方法区。然而，每个线程都有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。因此，系统在产生一个线程或在不同线程间切换时的负担要小于进程，这也使得线程被称为轻量级进程

进程：进程是程序的基本执行实体。一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。

1.2、并发与并行

并发:在同一时刻，有多个指令在单个CPU上交替执行 。
并行:在同一时刻，有多个指令在多个CPU上同时执行

二、实现多线程的三种方法 

2.1 继承Thread

多线程的第一种启动方式:

  1. 自己定义一个类继承Thread
  2. 重写run方法 
    1. public class Student extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // getName()：获取当前线程名字
        for(int i=0;i<200;i++) {
            System.out.println("我是学生"+getName());
        }
    }
}
  3. 创建子类的对象，并启动线程 
    1. @Test
void threadtest1(){
    Student s1 = new Student();
    Student s2 = new Student();
    s1.setName("1");//设置线程名
    s2.setName("2");//设置线程名
    s1.start(); //启动线程用start 而不是调用run方法
    s2.start();
}

来看结果：

2.2、实现Runnable接口

 多线程的第二种启动方式:

  1. 自己定义一个类实现Runnable接口
  2. 重写里面的run方法 
    1. public class Student implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        // getName()：获取当前线程名字
        for(int i=0;i<200;i++) {
            //Thread.currentThread():获取当前执行该线程的线程对象
            Thread thread = Thread.currentThread();
            System.out.println("我是老师"+thread.getName());
        }
    }
}
  3. 创建自己的类的对象
  4. 创建一个Thread类的对象，并开启线程 
    1. @Test
void threadtest2(){
    Student s1 = new Student();
    Thread t1= new Thread(s1);
    Thread t2= new Thread(s1);
    t1.setName("1");
    t2.setName("2");
    t1.start();
    t2.start();
}

我们来看结果：老师1与老师2交替执行

2.3、Callable

特点:可以获取到多线程运行的结果

  1. 创建一个类实现callable接口
  2. 重写call (是有返回值的。表示多线程运行的结果) 
    1. public class Student implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        //求1-100的合
        int sum=0;
        for(int i=0;i<100;i++){
            sum+=i;
        }
        return sum;
    }
}
  3. 创建类的对象(表示多线程要执行的任务)
  4. 创建Futureask的对象(作用：管理多线程运行的结果)
  5. 创建Thread类的对象，并启动(表示线程) 
    1. void threadtest3() throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 创建类的对象(表示多线程要执行的任务)
    Student s1 = new Student();
    // 创建Futureask的对象(作用管理多线程运行的结果)
    FutureTask<Integer> f1 = new FutureTask<Integer>(s1);
    // 创建Thread类的对象，并启动(表示线程)
    Thread t1 = new Thread(f1);
    t1.start();
    // 获取线程执行结果
    Integer i1 = f1.get();
    System.out.println(i1);
}

答案为：5050 

看一下三种方法的优缺点

三、Thread中常用的成员方法

3.1、成员方法示例

3.1.1 get与set
public static void main(String[] args){
    Demo1 demo1 = new Demo1();
    Demo1 demo2 = new Demo1("设置了名字的线程2");
    Demo1 demo3 = new Demo1();
    demo3.setName("设置了名字的线程3");
    demo1.start();
    demo2.start();
    demo3.start();
}
public class Demo1 extends Thread{
    public Demo1(String name) {
        super(name);
    }

    public Demo1() {
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName() + "@" + i);
        }
    }
}

3.1.2 currentThread()
public static void main(String[] args){
    Thread thread = Thread.currentThread();
    System.out.println(thread.getName());//main
}
3.1.3 getPriority()与setPriority()

线程分为10档 最小为1 最大为10 默认就是5吗，优先级不是绝对的 他是一个概率问题。

public static void main(String[] args){
    Thread thread = Thread.currentThread();
    System.out.println(thread.getPriority());//5
}
public static void main(String[] args){
    Thread thread = Thread.currentThread();
    thread.setPriority(10);
    System.out.println(thread.getPriority());//10
}
3.1.4 setDaemon()守护线程

守护线程就是：当非守护线程执行完毕之后，守护线程也会陆陆续续的停止，无论是否执行完毕，但是不会马上停止，会有个过程。

public class Demo1 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(getName() + "@" + i);
        }
    }
}
public class Demo2 extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.println(getName() + "@" + i);
        }
    }
}
public static void main(String[] args){
    Demo1 demo1 = new Demo1();
    Demo2 demo2 = new Demo2();
    demo1.setName("非守护线程");
    demo2.setName("守护线程");
    demo2.setDaemon(true);
    demo1.start();
    demo2.start();
}

这里的Demo2对象被设定为守护线程，他原本要执行1w次的，现在执行结果。

非守护线程执行结束之后，他只执行到了20次就结束了。

四、线程的生命周期

五、线程安全问题与解决方案

5.1 线程安全问题的发生

现在有一个订单秒杀，总共是100份，分三个平台来卖，我们看一下代码：

public class Goods extends Thread {
    // 加static就代表类对象共用一个count
    static int count=0;
    @Override
    public void run() {
        while (count<100){
            count++;
            System.out.println(getName()+"正在卖第"+count+"个商品");
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Goods good1 = new Goods();
    Goods good2 = new Goods();
    Goods good3 = new Goods();
    good1.setName("某宝");
    good2.setName("某东");
    good3.setName("某多多");
    good1.start();
    good2.start();
    good3.start();
}

看结果：很明显，有问题，三家商城共卖一个？这能对吗，这肯定是不对的。这种问题就是线程并发的安全问题。

其包括有：
        1. 不同商铺卖同一个商品问题

        2. 超卖问题，也就是只有100个商品却卖了103个的问题

 5.2 同步代码块

把操作共享数据的代码锁起来：

特点1:锁默认打开，有一个线程进去了，锁自动关闭
特点2:里面的代码全部执行完毕，线程出来，锁自动打开

我们接下来看看通过同步代码块修改之后的代码：

// 加static就代表类对象共用一个count
static int count=0;
// 锁对象 锁对象非常的随意 但是切记需要唯一
static Object object = new Object();
@Override
public void run() {
    while (true){
        synchronized (object) {
            if(count<1000) {
                count++;
                System.out.println(getName() + "正在卖第" + count + "个商品");
            }else {
                break;
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Goods good1 = new Goods();
    Goods good2 = new Goods();
    Goods good3 = new Goods();
    good1.setName("某宝");
    good2.setName("某东");
    good3.setName("某多多");
    good1.start();
    good2.start();
    good3.start();
}

既没有超卖问题，也没用同一个店铺卖同一个商品的问题 


 

5.3 同步方法 

就是把synchronized关键字加到方法上。

特点1：同步方法是锁住方法里面所有的代码
特点2：锁对象不能自己指定：
        非静态：this
        静态：当前类的字节码文件对象

public class Goods extends Thread {
// 加static就代表类对象共用一个count
    static int count=0;
    // 锁对象 锁对象非常的随意 但是切记需要唯一
    static Object object = new Object();
        @Override
    public void run() {
        while (true){
            if (extracted()) {
                break;
            }
        }
    }
    private synchronized boolean extracted() {
        if(count==1000) {
            return true;
        }else {
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖第" + count + "个商品");
        }
        return false;
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Goods gd = new Goods();
    Thread good1 = new Thread(gd);
    Thread good2 = new Thread(gd);
    Thread good3 = new Thread(gd);
    good1.setName("某宝");
    good2.setName("某东");
    good3.setName("某多多");
    good1.start();
    good2.start();
    good3.start();
}

5.4 Lock

        虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题，但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁，在哪里释放了锁。
        为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock。
Lock实现提供比使用synchronized方法和语句可以获得更广泛的锁定操作

Lock中提供了获得锁和释放锁的方法
        1. void lock():获得锁
        2. void unlock():释放锁

Lock是接口不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化ReentrantLock的构造方法

ReentrantLock():创建一个ReentrantLock的实例。

注意：

在使用阻塞等待获取锁的方式中，必须在try代码块之外，并且在加锁方法与try代码块之间没有任何可能抛出异常的方法调用，避免加锁成功后，在finally中无法解锁。
说明一：如果在lock方法与try代码块之间的方法调用抛出异常，那么无法解锁，造成其它线程无法成功获取锁。
说明二：如果lock方法在try代码块之内，可能由于其它方法抛出异常，导致在finally代码块中，unlock对未加锁的对象解锁，它会调用AQS的tryRelease方法（取决于具体实现类），抛出IllegalMonitorStateException异常。
说明三：在Lock对象的lock方法实现中可能抛出unchecked异常，产生的后果与说明二相同。 java.concurrent.LockShouldWithTryFinallyRule.rule.desc
            

Positive example：
    Lock lock = new XxxLock();
    // ...
    lock.lock();
    try {
        doSomething();
        doOthers();
    } finally {
        lock.unlock();
    }

Negative example：
    Lock lock = new XxxLock();
    // ...
    try {
        // If an exception is thrown here, the finally block is executed directly
        doSomething();
        // The finally block executes regardless of whether the lock is successful or not
        lock.lock();
        doOthers();

    } finally {
        lock.unlock();
    }

来看例子：

这里要注意的点是，首先 static Lock lock = new ReentrantLock();锁要加上static作为唯一的锁，第二是释放锁要在finally代码块中。

public class Teacher {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student();
        Student s2 = new Student();
        s1.setName("王老师");
        s2.setName("张老师");
        s1.start();
        s2.start();
    }
}
// 第二个类
public class Student extends Thread {
    static int studentID = 0;
    static Object o1 = new Object();
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try {
                if (studentID < 100) {
                    sleep(50);
                    studentID++;
                    System.out.println(getName() + "调用学号为：" + studentID + "的学生去干活");
                } else {
                    break;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

 检查过输出之后，无超过100，无重复调用

六、死锁

我们上个章节讲到了线程安全问题以及解决方案，大体的解决方案就是加锁，那么加锁虽然会解决多线程并发的安全问题，同时也会造成一个新的问题：死锁。

什么是死锁呢？打个比方：

两个人在一条窄窄的单行道上相向而行，每个人都在等待对方让路，以便自己能够通过。但因为两人都固执地站着不动，等待对方先让步，结果就是谁也无法前进，造成了一种僵持不下的局面。

在这个例子中，两个人就像是计算机中的两个进程，而这条单行道就像是计算机系统中的资源。如果每个进程都持有一个资源（比如一个人占据了道路的一部分），并且同时等待另一个进程释放它所持有的资源（另一个人占据的部分），而对方也在做同样的事情，那么双方就会陷入死锁状态，除非外部干预，否则他们都无法继续前进。

死锁并不是一个知识点，他是一个错误，需要我们在开发中避免。

那么死锁一般都是怎么发生的呢？

正常来讲一般都是锁里面套另外一个锁，会发生死锁现象 ！

public class main {
    public class DeadlockExample {
        private static final Object lock1 = new Object();
        private static final Object lock2 = new Object();

        public static void main(String[] args) {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread 1: Locked lock1");
                    try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
                    synchronized (lock2) {
                        System.out.println("Thread 1: Locked lock2");
                    }
                }
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 2: Locked lock2");
                    try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
                    synchronized (lock1) {
                        System.out.println("Thread 2: Locked lock1");
                    }
                }
            });

            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
}

在这个例子中，我们有两个线程t1和t2，它们分别尝试以不同的顺序锁定两个资源resource1和resource2。每个线程首先锁定一个资源，然后稍作等待（模拟一些工作），接着尝试锁定另一个资源。

  • 线程t1首先锁定resource1，然后尝试锁定resource2。
  • 线程t2首先锁定resource2，然后尝试锁定resource1。

如果线程t1在线程t2锁定resource2之前锁定了resource1，并且线程t2在同一时间锁定了resource2，那么它们都会等待对方释放资源，从而形成死锁。每个线程都持有一个资源并且等待另一个线程释放它需要的资源，但没有线程能够继续执行，因为所需的资源被对方持有。

相关文章